Спосіб заповнення паливних магістралей рідинного ракетного двигуна

Спосіб заповнення паливних магістралей рідинного ракетного двигуна, за яким подають компонент рідинного палива у магістралі і випускають з них газову подушку, який відрізняється тим, що газову подушку випускають від моменту досягнення фронтом компонента рідинного палива місцевого гідравлічного опору у паливній магістралі до повного заповнення магістралі компонентом рідинного палива терним переднасосом або зі шнеком насосу виникає пдроудар значної величини, що є суттєвим недоліком означеного способу Оскільки у даному випадку пдроудар з'являється безпосередньо у передвогневий період запуску, то мірою боротьби з пдроударом і можливими послідуючими аварійними ситуаціями є тільки збільшення запасу МІЦНОСТІ, тобто, стовщення стінок витратних магістралей При використанні ж в якості компонентів палива кріогенних рідин у поєднанні з похідними нафтопродуктів заповненою до ВІДСІЧНОГО клапану може бути тільки одна магістраль, тому що у протилежному випадку при тривалому зберіганні відбувається замерзання нафтопродукту у магістралі Таким чином, при виході з баку з одним із компонентів палива (частіше з пальним) установлюється роздільний пристрій (наприклад, роздільний клапан) ВІДОМІ пристрої (див , наприклад, ракета "Сатурн-V" перший ступінь), які реалізують цей спосіб, вміщують у собі поряд з іншими елементами роздільний клапан, який у значній мірі визначає темп заповнення витратної магістралі При зустрічі компоненту рідинного палива з бустерним переднасосом виникає, як і в попередньому випадку, пдроудар, що є суттєвим недоліком і цього способу Тому виникає необхідність (особливо при збільшених діаметрах магістралей, наприклад, до ~500мм) прийняти заходи для його подавления або запобігання аварійних ситуацій, що виникають у зв'язку з появою пдроудару З відомих способів щодо забезпечення проце О і (О (О ю су запуску двигуна ближче всіх до запропонованого за технічною суттєвістю є загальноприйнятий (див , наприклад, книгу В И Феодосьев и Г Б Синярев Введение в ракетную технику - М Оборонгиз, 1961 - С 439), реалізований у РРД на ракеті V2 У цій ракеті при заправленні пальне подається через патрубок для заправлення, коли бак заправится на 1/4 своєї ємкості, відкривається клапан заповнення витратної магістралі, яка і заповнюється до головного клапана пального, встановленого на камері згорання двигуна Заправлення пального у ракеті V-2 триває біля ЗОхв , заправлення ракети окислювачем - рідким киснем, починається тільки після повного заправлення пальним Основним недоліком такого способу запуску РРД є занадто тривалий період підготовки РРД до роботи (внаслідок повільного заповнення баків і живильних магістралей) Обмеження часу готовності ракети при пуску накладає вимогу швидкого заповнення витратної магістралі і порожнини двигуна, що сприяє виникненню пдроудару, при якому тиск короткочасно підвищує номінальне значення в 10 -15 разів Це призводить до необхідності зміцнення стінок магістралей, елементів автоматики, що в свою чергу, призводить до відчутного підвищення ваги конструкції виробу у цілому Означені недоліки особливо неприйнятні для виробів багаторазового використання В основу поставлено задачу, шляхом затримання подачі команди на відкривання клапана випускання відносно початку заповнення магістралі, забезпечити підвищення надійності запуску і значне зниження пдроударів на нестаціонарному відрізку заповнення витратної магістралі у період запуску Суть винаходу та його ВІДМІНИ полягають втому, що після початку заповнення витратної магістралі знижують швидкість руху компонента рідинного палива при зустрічі його з першим місцевим опором, наприклад, з бустерним насосом, підвищуючи протитиск шляхом затримання команди на відкривання клапана випускання відносно початку заповнення магістралі, після чого повітряна пробка, що утворилася, випускається і одночасно з цим заповнюється вільна порожнина магістралі і камери згоряння РРД Реалізація запропонованого способу забезпечення запуску РРД полягає у наступному За командою від системи керування відкривається роздільний клапан, внаслідок чого компонент рідинного палива під дією тиску газу у баку і гідростатичного стовпа починає заповнювати витратну магістраль Бо клапан випускання доки закритий, у порожнині магістралі і камери згоряння РРД утвориться замкнений об'єм, тиск повітря в якому в міру надходження рідини у витратну магістраль підвищується, завдяки цьому створюється протитиск руху рідини, знижуючи и швидкість На час зустрічі фронту рідини з місцевим опором, у даному випадку з бустерним переднасосом, и швидкість за рахунок створеного протитиску значно знижується, що, у свою чергу, сприяє зниженню також і величини пдроудару Після заповнення рідиною бустерного перед 56267 насосу утворена повітряна пробка випускається і одночасно заповнюється вільна порожнина магістралі і камери РРД Таким чином, підвищуючи протитиск шляхом затримання подачі команди на відкривання клапана випускання відносно початку заповнення магістралі значно зменшують величину пдроудару у витратній магістралі при її заповненні Аналітично це витікає із розгляду виразів Початкова швидкість руху рідини у трубопроводі визначається формулою пр w = де Рб, РПр - тиск у баку і протитиск, а - коефіцієнт, що враховує гідравлічні втрати При підвищенні протитиску Рпр (при цьому тиск у баку Рб підтримується сталим) знижується швидкість w При цьому величина пдроударного тиску, що визначається за формулою Жуковського ДР = pew, де р - густина компоненту, с - швидкість звуку в компоненті (також знизиться) Підвищення тиску у замкненій порожнині початкового об'єму Vo визначиться у першому наближенні рівнянням ізотермічного стиснення пр прО V де V - поточне значення змінного об'єму замкненої порожнини, РПро - початкове значення тиску у цій порожнині, яке приймається рівним атмосферному тиску Отже, зниження швидкості при заповненні трубопроводу є одним із факторів, визначальних величину пдроудару, що виникає З метою уточненого прогнозування величин пдроудару у процесі заповнення витратної магістралі було виконано математичне моделювання перехідних процесів Математична модель перехідних процесів - це нелінійна система диференціальних рівнянь першого порядку Рух компонента рідинного палива у витратній магістралі описаний рівняннями у зосереджених параметрах Математична модель процесу аналогічна описаній у книзі Теорія автоматического управления ракетными двигателями / Под ред А А Шевякова - М Машиностроение, 1978 -С 52-61 У вигляді ілюстраційного прикладу для однієї із витратних магістралей конкретного двигуна були проведені розрахунки на основі інженерної математичної моделі Аналіз результатів розрахунку показав, що при зустрічі фронту компонента рідинного палива з бустерним переднасосом у магістралі з'являється пік тиску, величина якого складає ~20ата Затримка відкривання клапана випускання на 0,5 і 0,9с призводить до зниження величин закиду тиску до 6,9 і 4,1ата ВІДПОВІДНО (у порівнянні з ~20ата при одночасному відкриванні роздільного клапану випускання) Отже, зниження пдроударного тиску одержується шляхом підвищення протитиску, який організовано затримкою відкривання клапана випускання 5 56267 6 Застосування запропонованого винаходу у потратиш магістралі при зберіганні мінімального часу рівнянні з відомими способами дозволяє и заповнення забезпечити підвищення надійності запуску Необхідно відзначити, що застосування заРРД, пропонованого способу на ракеті-носм "Зеніт" познизити вагу виробу, казало високу ефективність і надійність запуску суттєво зменшити величину пдроудару у видвигуна Підписано до друку 05 06 2003 р Тираж 39 прим ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24